Введение

Объект нашего исследования – рабочее колесо ротора турбины авиационного газотурбинного двигателя гражданского самолета.

Рисунок 1 – двигатель ПС-90 (тяга 16 тонн, самолеты Ту-204, Ил-96)

Рисунок 2 – Пример обобщенного полетного цикла АГТД (Д-436) гражданского самолета

Рисунок 3 – рабочее колесо турбины

Будем рассматривать наиболее теплонагруженный режим «Взлет». Предположим, что наш двигатель работает на нем 200 секунд. Пусть циклический ресурс облопаченных дисков турбины – 15000 (полетов). Угловая скорость вращения – 1200 рад/с.

Первичный параметр, характеризующий работу колеса – это окружная скорость (в современных колесах порядка 400 м/с):

(1)

где ω – угловая скорость вращения, рад/с; R – периферийный диаметр лопатки, м.

Создание модели рабочего колеса в ansys apdl

1. Создаем папку Turbine_example. Внутри нее папки Static и Term.

2. Меню «Пуск» – ANSYS 15.0 – Mechanical APDL Product Launcher.

3. Working directory – указываем путь к папке Static (см. пункт 1). Job name – указываем, например, Turbine_STATIC_model. Нажимаем Run.

4. В 2D-постановке необходимо, чтобы радиальным направлением была ось X. Для удобства поворачиваем систему координат, при помощи клавиш «вращать» (или скопировать снизу, набор команд в строку, рисунок 4):

Рисунок 4 – командная строка Ansys APDL	Рисунок 5 – уменьшить/увеличить вид, сдвинуть, вращать, СК

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST5

5. Требуется создать упрощенную 2D геометрию рабочего колеса турбины авиационного двигателя, в соответствии с рисунком 6.

Рисунок 6 – Рабочее колесо первой ступени ротора турбины

Геометрия строится по следующей схеме: сначала наносятся точки, затем точки соединяются прямыми, а после создаются поверхности по замкнутым контурам.

1) Первая точка – координата по оси X=60, Y=Z=0. Для создания точки: заходим в Preprocessor – Modeling – Create – Keypoints – In Active CS, после чего вводим координаты, как показано на рисунке 7, и нажимаем OK.

Рисунок 7 – Создание точек

Можно также использовать команды для построения точек:

K, NPT, X, Y, Z (где NPT – номер точки, X, Y, Z – координаты)

Для первой точки команда – аналог вводу в графическое окно:

K, ,60 , , ,

2) Вторую точку легко получить копированием первой точки на расстояние по оси Y=32. В графическом окне: Preprocessor – Modeling – Copy – Keypoints –нажать левой кнопкой мыши на копируемую точку 1, затем ОК (Рисунок 8). В появившемся окне поставить смещение по OY=32.

Рисунок 8 – Копирование точек

Можно также использовать команды для копирования точек:

KGEN, ITIME, NP1, NP2, NINC, DX, DY, DZ, KINC, NOELEM, IMOVE (ITIME=2, копировать точки от номера NP1 до номера NP2 с шагом NINC на расстояние DX, DY, DZ; IMOVE=0 – создает новую точку, а IMOVE=1 – переносит эту точку)

Для второй точки команда – аналог вводу в графическое окно:

KGEN, 2, 1, , , ,32, , ,0

3) Соединим две полученные точки прямой: Preprocessor – Modeling – Create – Lines – Lines – Straight Line – нажать левой кнопкой мыши сначала на точку 1, а потом второй щелчок на точку 2, затем OK (рисунок 9).

Рисунок 9 – Создание линии

Можно также использовать команды для построения прямых линий по точкам:

LSTR, P1, P2 (P1 и P2 – номера точек)

В нашем случае:

LSTR, 1, 2

Для отображения точек/линий – зайти в Plot, см. Рисунок 10.

Рисунок 10 – Отображение точек/прямых

Для удобства выбрать Plot – Lines. Чтобы отобразить нумерацию точек на полотне: PlotCtrls – Numbering – галочка напротив KP On (Рисунок 11).

Рисунок 11 – Отображение нумерации точек

Для автоматического центрирования модели – кнопка

Аналогичным образом (копирование точки – создание прямой) создать геометрию, с соответствии с рисунком 6.

4) Далее необходимо построить радиусы сопряжения, как на рисунке 6. Используем команду: Preprocessor – Modeling – Create – Lines – Line Fillet, затем щелкнуть на две сопрягаемые линии, нажать OK и после задать радиус сопряжения (рисунок 12)

Рисунок 12 – Построение сопряжения линий

Можно также использовать команду для сопряжения линий:

LFILLT, NL1, NL2, RAD, PCENT (где NL1 и NL2 – номера сопрягаемых линий, RAD- радиус сопряжения).

Для линий 1 и 2:

LFILLT,1,2,12, ,

Аналогично сделать все остальные сопряжения (в соответствии с рисунком 6).

5) После – построение поверхностей: Preprocessor – Modeling – Create – Areas – Arbitrary – By Lines – нажать левой кнопкой мыши на каждой линии замкнутого контура, затем OK (Рисунок 13).

Сначала контур нижний (самый большой), затем два маленьких сверху.

Рисунок 13 – Построение поверхностей

Можно также использовать команды для построения поверхностей по точкам:

AL, L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8, L9, L10 (Li – номера линий)

В нашем случае (так как больше 10 линий в команде AL нельзя использовать, то нужно выбрать сначала все необходимые линии командами, а потом построить поверхность по всем выбранным линиям: AL, ALL):

LSEL, S, LINE,, 1

LSEL, A, LINE,, 15

LSEL, A, LINE,, 2

LSEL, A, LINE,, 16

LSEL, A, LINE,, 3

LSEL, A, LINE,, 17

LSEL, A, LINE,, 4

LSEL, A, LINE,, 18

LSEL, A, LINE,, 5

LSEL, A, LINE,, 19

LSEL, A, LINE,, 6

LSEL, A, LINE,, 7

LSEL, A, LINE,, 8

AL, ALL

ALLSEL,ALL

6) Зеркальное отображение полученного профиля. Preprocessor – Modeling – Reflect – Areas, в появившемся окне нажать левой кнопкой мыши Pick All, затем в появившемся окне выбрать X-Z Plane Y и нажать OK (Рисунок 14).

Рисунок 14 – Зеркальное отображение

В виде команды:

ARSYM,Y, ALL

7) Совмещение совпадающих точек.

Preprocessor – Numbering Ctrls – Merge Items, в появившемся окне сначала поменять Nodes на Keypoints, затем нажать OK (Рисунок 15).

Рисунок 15 – Совмещение совпадающей геометрии

В виде команды:

NUMMRG,KP, , , ,LOW

8) Разбивка линий на число элементов.

Preprocessor – Meshing – Size Cntrls – ManualSize – Lines – Picked Lines, затем в появившемся окне нажать Pick All, после чего в новом окне поставить 4 и нажать OK (Рисунок 16).

Рисунок 16 – Разбивка линий

Аналог в виде команды:

LESIZE, ALL,4, , , ,1 , , ,1

9) Выбор элементов.

Первый тип – осесимметричные элементы, моделирующие диск. Заходим в Preprocessor – Element Type – Add/Edit/Delete, в появившемся окне выбираем Add, там во вкладе Solid, затем Quad 4 node 182, затем OK. После чего заходим в Options для элементов Type 1, выбираем Element behavior – Axisymmetric, OK (Рисунок 17).

Второй тип – моделирующие плоско-напряженное состояние с задаваемой толщиной (лопатки). Не закрывая меню Element Types (в Preprocessor – Element Type ), выбираем аналогично предыдущему типу элементов Add, там во вкладе Solid, затем Quad 4 node 182, затем OK. После чего заходим в Options для элементов Type 2, выбираем Element behavior – Plane Strs w/thk, OK, Close (Рисунок 18).

Рисунок 17 – Выбор осесимметричных элементов для диска

Рисунок 18 – Выбор элементов для лопаток

10) Задание толщины во втором типе элементов.

Предположим, что в конструкции 70 лопаток, каждая имеет осредненную толщину 3мм. Общая толщина h=70*3=210 мм.

Заходим в Preprocessor – Real Constants – Add/Edit/Delete, в появившемся окне выбираем Add, выбираем левой кнопкой мыши элементы Type 2, OK, там во вкладе вводим Thickness = 210, OK, Close (Рисунок 19).

Рисунок 19 – Задание толщины

11) Разбивка сеткой модели.

Preprocessor – Meshing – Mesh – Areas – Free, в появившемся окне нажать Pick All.

Аналог – все команды с элементами:

!*

ET,1,PLANE182

!*

KEYOPT,1,1,0

KEYOPT,1,3,1

KEYOPT,1,6,0

!*

ET,2,PLANE182

!*

KEYOPT,2,1,0

KEYOPT,2,3,3

KEYOPT,2,6,0

!*

R,1,210,

!*

AMESH, ALL

12) По умолчанию сейчас все элементы имеют свойства 1 материала и 1 тип элементов. Это верно для диска, а для элементов лопатки нужно задать материал 2, тип элементов 2.

Выберем поверхности лопаток и принадлежащие им узлы:

В верхнем меню Select – Entities, в появившемся окне выставить Areas, By Num/Pick, From Full, нажать OK, затем левой кнопкой мыши выбрать две верхние поверхности (лопатка) и нажать ОК (Рисунок 20).

Рисунок 20 – Выбор поверхностей лопатки

Теперь выберем элементы, принадлежащие выбранным поверхностям: В верхнем меню Select – Entities, в появившемся окне выставить Elements, Attached to, Areas, From Full, затем нажать OK (Рисунок 21).

После чего: Preprocessor – Modeling – Move/Modify – Elements – Modify Attrib, в появившемся меню Pick All, после чего выбрать Material, 2, OK. Аналогично для типа элементов: Preprocessor – Modeling – Move/Modify – Elements – Modify Attrib, в появившемся меню Pick All, после чего выбрать Type, 2, OK (Рисунок 22).

Рисунок 21 – Выбор элементов лопатки

Рисунок 22 – Присвоение элементам лопатки материала 2 и типа элементов 2

13) В верхнем меню выбираем Select – Everything. Нажать Save_DB.

Ниже приведен полный текст команд для создания данной модели:

/PREP7

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,30,YS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST

/ANG,1,-30,ZS,1

/REP,FAST5

K, ,60 , , ,

KGEN, 2, 1, , , ,32, , ,0

LSTR, 1, 2

KGEN,2,2, , ,30, , , ,0

LSTR, 2, 3

KGEN,2,3, , ,15,-18, , ,0

LSTR, 3, 4

KGEN,2,4, , ,140,-6, , ,0

LSTR, 4, 5

KGEN,2,5, , ,6,7, , ,0

LSTR, 5, 6

KGEN,2,6, , ,5, , , ,0

LSTR, 6, 7

KGEN,2,7, , , ,-15, , ,0

LSTR, 7, 8

LSTR, 8, 1

LGEN,2,7, , ,25, , , ,0

LSTR, 8, 10

LSTR, 9, 7

KGEN,2,10, , ,40, , , ,0

LSTR, 10, 11

KGEN,2,11, , , ,10, , ,0

LSTR, 11, 12

LSTR, 12, 9

LFILLT,1,2,12, ,

LFILLT,2,3,12, ,

LFILLT,3,4,16, ,

LFILLT,4,5,6, ,

LFILLT,5,6,3, ,

LSEL, S, LINE,, 1

LSEL, A, LINE,, 15

LSEL, A, LINE,, 2

LSEL, A, LINE,, 16

LSEL, A, LINE,, 3

LSEL, A, LINE,, 17

LSEL, A, LINE,, 4

LSEL, A, LINE,, 18

LSEL, A, LINE,, 5

LSEL, A, LINE,, 19

LSEL, A, LINE,, 6

LSEL, A, LINE,, 7

LSEL, A, LINE,, 8

AL, ALL

ALLSEL,ALL

AL, 7, 9, 10, 11

AL, 9, 12, 13, 14

ARSYM,Y, ALL

NUMMRG,KP, , , ,LOW

LESIZE, ALL,4, , , ,1 , , ,1

!*

ET,1,PLANE182

!*

KEYOPT,1,1,0

KEYOPT,1,3,1

KEYOPT,1,6,0

!*

ET,2,PLANE182

!*

KEYOPT,2,1,0

KEYOPT,2,3,3

KEYOPT,2,6,0

!*

R,1,210,

!*

AMESH, ALL

ASEL, S, , , 3,,,

ASEL, A, , , 6,,,

ALLSEL,BELOW,AREA

EMODIF,ALL,MAT,2,

EMODIF,ALL,TYPE,2,

ALLSEL,ALL

SAVE